1、武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书1目录摘要 .11 锅炉系统简介 .21.1 锅炉工作过程简介 .21.2 产品设计的意义 .32 方案论证 .42.1 系统实现功能 .42.2 系统方案论证 .42.2.1 串级控制方案 .42.2.2 串级控制方案论证 .52.3 气包水位串级双冲量调节系统图 .62.4 锅炉汽包水位的 PID 控制方案 .72.4.1 前馈调节系统 .72.4.2 串级前馈调节系统 .83 硬件设计 .103.1 调节阀的选择 .103.2 控制仪表的选择 .103.3 控制器设计 .123.3.1 控制器控制规律选择 .123.3.2 控制器正反作用选择 .12
2、3.3.3 控制器的电路实现 .123.4 系统总体设计 .133.5 传感器选择 .143.6 变送器选择 .144 软件设计 .154.1 程序流程图 .154.2 PID 控制系统算法 .155 系统分析及参数整定 .175.1 给水控制系统分析及整定 .175.1.1 副回路的分析和整定 .175.1.2 主回路的分析和整定 .175.2 锅炉水位 PID 控制的总体结构及仿真 .176 课程设计总结 .19参考文献 .20武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书2摘要锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提
3、高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有两个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了如何消除水位偏差的方法，即辅助信号自消方法。根据双冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了双冲量 PID 串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状，
4、提出了参数自整定模糊控制规则，设计了二输入三输出自适应模糊 PID 控制器对汽包水位进行控制，克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB 对传统 PID 控制系统和双冲量自适应模糊 PID 控制系统仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。关键词：汽包水位； 双冲量； 串级系统； PID 控制； 模糊控制武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书31 锅炉系统简介1.1 锅炉工作过程简介锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能, 或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式 ,长
5、期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温 )和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。 “锅”就是锅炉的汽水系统，如图 1.1 所示。由省煤器 3、汽包 4、下降管 8、过热器 5、上升管 7、给水调节阀 2、给水母管 1 及蒸汽母管 6 等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入
6、锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。燃烧室燃料空气123 45678图 1.1 锅炉的汽水系统“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书4炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进
7、入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。1.2 产品设计的意义锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。由于锅炉的水位受到负荷变化的影响，因此当锅炉用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉安全运行的重要条件。水位过高或过低，都
8、是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁结垢，造成工业事故，同时锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。使锅筒水位维持在设计值 800.3范围内。通过以上分析，锅炉水位的控制是十分必要的，随着自动化水平的不断提高，设计一款简单、方便的过程控制系统来对水位进行自动控制及处理也显得十分必要。武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书5温度变送器2 方案论证2.1 系统实现功能通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。2.2 系
9、统方案论证2.2.1 串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器 1 的控制，而调节器1 的给定值受到调节器 2 的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在正正环之中的。入口蒸汽 过热器 出口蒸汽温度图 2.1 过热蒸汽温度串级调节系统原理图调节器 2 称主调节器，调节器 1 称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器 2 的给定值，起着最后校正作用。
10、串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，希望主副环的调节器 1 调节器 2M减温器减温水温度变送器武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书6 工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提
11、高。同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。2.2.2 串级控制方案论证串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。图 2.2 串级控制系统方框图由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定
12、值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“ 细调”。因此控制质量优于简单控制系统。主调节器主调节器主变送器副变送器副调节器 调节阀 副对象二次扰动一次扰动副参数主参数给定武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书7串级控制有以下优点1、由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时；2、提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了；3
13、、对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高；4、对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的 1/101/100，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的 1/31/5。但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。2.3 气包水位串级双冲量调节系统图图 2.3 中所示的双冲量调节系统,汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调节系统中去, 一旦
14、蒸汽流量或给水流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调节 ,而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正,故大大提高了水位这个被调参数的调节精度。图 2.3 中所示的串级控制系统有一个明显的特点: 在结构上有两个闭环。一个环在里面，称之为副环或副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用;一个环在外面，称之为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，主调节器的任务是校正水位偏差。副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量，以保证给水流量和蒸汽流
15、量平衡。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则送到执行机构去控制生产过程。这样，当负荷变化时，水位稳定值是靠主调节器来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配比”来进行整定.恰恰相反，在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书8适当加强蒸汽流量信号的作用强度，从而改变负荷扰动下的水位控制品质。图 2.3 串级控制系统2.4 锅炉汽包水位的 PID 控制方案控制汽包水位的手段是操纵给水，依此构成的单回路控制系统对锅炉的假水位现象回发出相反的补偿动作，严重时甚至会使汽包水位降到足以发生危
16、险事故的程度，如果根据蒸汽流量来给出校正动作，就可以纠正虚假水位引起的误动作，从而减少水位的波动，改善控制的精确度。2.4.1 前馈调节系统比较前馈系统，反馈系统的最大缺点是在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。而前馈系统是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。图 2.4 前馈系统方框图其中 表示干扰通道对象特性， 表示控制通道对象特性， 表示前馈PDGPCGfG
17、控制器传函。武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书9根据不变性原理，即被控变量与干扰量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立，则 =0，即 =0sFTsT= =0 (2-1) PCfPDG所以 -Gf即 =- 干扰通道对象特性/ 控制通道对象特性sf上式的负号表示控制通道与干扰通道作用相反。所以前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道对象特性决定。2.4.2 串级前馈调节系统为克服调节阀的变差（滞环） ，阀前后压差变化，引起阀和流量变化（如蒸汽压力变化）增加一个流量付环，其目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量，由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响，同时系统对负荷改变时有一定的自适应能力。图 2.5 串级前馈系统模型武汉理工大学过程控制系统课程设计说明书10图 2.6 串级前馈控制系统方框图串级前馈模型传递函数：=0 (2-2)sFGf sGPDPC1综上两种调节系统的比较，我们可以看出，采用串级前馈调节具有更大的优势，故在在此设计方案中，采用串级前馈的控制方式来对其进行控制。sGsHPcmpcC221
